{"id":66429,"date":"2022-12-12T14:44:26","date_gmt":"2022-12-12T13:44:26","guid":{"rendered":"https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/?p=66429"},"modified":"2022-12-12T14:44:26","modified_gmt":"2022-12-12T13:44:26","slug":"geowissenschaften-reise-ohne-wiederkehr","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/en\/forschung\/geowissenschaften-reise-ohne-wiederkehr\/","title":{"rendered":"Geowissenschaften: Reise ohne Wiederkehr"},"content":{"rendered":"

Bei der Erforschung des Erdinnern stellen sich viele spannende Fragen. Zum Beispiel, ob in den Erdmantel absinkende kontinentale Kruste ab einer bestimmten Tiefe f\u00fcr immer stecken bleibt. Antworten darauf k\u00f6nnen nur Diamanten liefern.<\/strong><\/p>\n\n\n\n

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Der Diamant aus Botswana verriet den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, dass in mehr als 600 Kilometern Tiefe erhebliche Mengen an Wasser im Gestein gespeichert sind. Foto: Tingting Gu, Gemological Institute of America, New York, NY, USA<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
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In den achtziger Jahren entdeckten Geologen in den Alpen, eingeschlossen im Gestein, das Mineral Coesit. Eine Modifikation des Minerals Quarz, das in der kontinentalen Kruste h\u00e4ufig vorkommt. Diese bildet zusammen mit der ozeanischen Kruste die feste Au\u00dfenschale unseres Planeten, die Erdkruste. Das \u00dcberraschende an dem Fund: Coesit bildet sich nur, wenn Quarz sehr hohem Druck ausgesetzt ist. Mindestens 2,8 Gigapascal, 28 000 bar, sind notwendig. Durch die Stapelung von kontinentaler Kruste bei der Alpenbildung lie\u00df sich die Existenz des Minerals aber nicht erkl\u00e4ren, weil der dabei entstehende Druck f\u00fcr die Metamorphose von Quarz zu Coesit nicht ausgereicht h\u00e4tte. Das Mineral musste also vorher dort gewesen sein, wo 2,8 Gigapascal Druck herrschen: im Erdmantel in mindestens 90 Kilometern Tiefe. So weit war es abgesunken \u2013 und dann auch wieder schnell nach oben gelangt.<\/p>\n\n\n\n

Der Alpen-Fund widersprach den bis dahin g\u00e4ngigen Vorstellungen \u00fcber die Subduktion konvergierender, also sich aufeinander zubewegender Platten. Subduktion bedeutet, dass sich beim Zusammensto\u00df die eine Platte unter die andere schiebt und in den z\u00e4hfl\u00fcssigen Erdmantel abtaucht. Es gibt die Ozean-Kontinent-Subduktion, bei der die schwerere ozeanische Platte unter die leichtere kontinentale rutscht. Und es gibt die Subduktion, bei der zwei ozeanische Platten aufeinandersto\u00dfen und sich die schnellere unter die langsamere schiebt. Kontinentale Kruste subduziert dagegen nie, weil sie viel leichter ist als der Erdmantel. Ihr fehlen die n\u00f6tigen Abtriebskr\u00e4fte zum Abtauchen. So die vorherrschende Meinung vor 40 Jahren.<\/p>\n\n\n\n

Welche sich bald endg\u00fcltig als falsch erwies. Nach dem Alpen-Fund begann weltweit die Suche nach weiteren Ultrahochdruck-Mineralien, die bei mindestens 2,8 Gigapascal entstanden sind. Es stellte sich heraus, dass sie in fast jedem Gebirgsg\u00fcrtel der Erde stecken. Oft wurden sogar noch Mikrodiamanten in den Gesteinseinheiten gefunden. Ein Beleg daf\u00fcr, dass kontinentale Kruste noch tiefer als 90 Kilometer gesunken war. Denn f\u00fcr die Umwandlung von Kohlenstoff in einen Diamanten braucht es mindestens vier Gigapascal. Ein Druck, der erst ab etwa 120 Kilometern Tiefe entsteht. Zudem umfassten die Funde riesige Gebiete von bis zu 45 000 Quadratkilometern. So stand fest: Es hatte ein echtes Abtauchen von gro\u00dfen Teilen kontinentaler Kruste tief in den eigentlich viel dichteren Erdmantel gegeben. Zu jeder Zeit der Erdgeschichte in fast allen Gebirgsbildungen der Erde. Lokal fanden sich sogar kleinere Gesteinseinheiten, die eine Versenkungstiefe von 200 bis 250 Kilometern belegten.<\/p>\n\n\n\n

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Nur ein Auf und Ab kontinentaler Platten?<\/strong><\/h5>\n\n\n\n

Aber wie kommt kontinentale Kruste \u00fcberhaupt so weit nach unten, wo es ihr doch an Dichte und damit Abtriebskraft fehlt? Der Geologe Frank Brenker von der Goethe-Universit\u00e4t hat die Antwort: \u201eEs passiert, wenn ozeanische und kontinentale Platten aufeinandersto\u00dfen. Dann schiebt sich ja die schwerere ozeanische unter die leichtere kontinentale und taucht schnell in die Tiefe. Wir gehen heute davon aus, dass sie dabei die kontinentale Platte hinter sich herzieht. Da sie so schwer ist, dass sie aus eigener Abtriebskraft in die Erde sinkt, kann sie alles mitnehmen, was hinten dranh\u00e4ngt.\u201c F\u00fcr die kontinentale Platte geht es so lange im Schlepptau der ozeanischen abw\u00e4rts, bis sie abrei\u00dft. Was sp\u00e4testens passiert, wenn sie mit einer anderen kontinentalen Platte kollidiert. Dann f\u00e4llt die Zugkraft nach unten weg, und die Platte rutscht auf dem gleichen Weg wieder nach oben. Brenker hat einen anschaulichen Vergleich f\u00fcr dieses Auf und Ab kontinentaler Platten: \u201eWir kennen es aus dem Schwimmbad, wenn wir ein Schwimmbrett aus Styropor unter Wasser ziehen und es dann wieder loslassen. Dann taucht es sofort wieder auf.\u201c<\/p>\n\n\n\n

Die Auf- und Abbewegung ist gut belegt, aber das vollst\u00e4ndige Bild hat die Geologie noch nicht. So ist unklar, ob alle kontinentale Kruste, die absinkt, wieder hochkommt. Davon ist man bisher ausgegangen, doch eine aktuelle Theorie widerspricht dem: die Point-of-no-Return-Theorie. Diese stellt die Frage, was in einer Tiefe von 300 Kilometern mit der kontinentalen Kruste passiert. Dass es mit ihr so weit hinabgeht, gilt als sicher, weil die bisherigen Funde von Hochdruck-Mineralien, die eine Tiefe von 250 Kilometern belegen, nicht die am tiefsten gelegenen sein k\u00f6nnen. Brenker: \u201eWir sehen sp\u00e4ter an der Oberfl\u00e4che nur den erodierten oberen Teil dieser Krusten und nicht die weiter unten gelegenen, die durchaus nochmal 50 bis 100 Kilometer tiefer gesunken sind.\u201c Und damit eine kritische Tiefe erreichen. Denn bei 300 Kilometern wandeln sich die weitaus h\u00e4ufigsten Minerale der kontinentalen Kruste in deutlich dichtere Strukturen um. So macht Quarz, bei knapp 100 Kilometern Tiefe schon zu Coesit geworden, einen noch gr\u00f6\u00dferen Dichtesprung. Es wird zur Modifikation Stishovit. Und Feldspat wandelt sich in 300 Kilometern Tiefe in die dichtere Struktur Hollandit um. \u201eIn der Summe wird die abgetauchte kontinentale Kruste dadurch pl\u00f6tzlich so dicht, dass sie sogar die Dichte des umliegenden Erdmantels \u00fcbertrifft. Erreicht also ein kontinentales Krustenfragment 300 Kilometer Tiefe, kommt es aus eigener Auftriebskraft nicht wieder hoch. Es bleibt f\u00fcr immer versenkt.\u201c<\/p>\n\n\n\n

Was w\u00e4re, wenn es f\u00fcr die kontinentalen Platten tats\u00e4chlich kein Zur\u00fcck mehr g\u00e4be? Es sind ja riesige Platten, die Zehntausende von Quadratkilometern messen k\u00f6nnen. Steckengeblieben, w\u00fcrden sie die gesamte Dynamik des oberen Erdmantels behindern, so Brenker. \u201eVon unten ginge da kaum noch Material durch, weil es an den Platten h\u00e4ngenbleibt.\u201c Ein Beispiel sind die Mantle Plumes, hei\u00dfes Gesteinsmaterial, das aus dem tieferen Erdmantel aufsteigt. \u201eSto\u00dfen die Plumes pl\u00f6tzlich an kontinentale Krustenfragmente, geht es f\u00fcr sie nicht mehr weiter.\u201c<\/p>\n\n\n\n

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Diamant als \u00bbRosetta-Stein des Erdmantels\u00ab<\/strong><\/h5>\n\n\n\n

Die Point-of-no-Return-Theorie zu beweisen, ist schwierig. Daf\u00fcr braucht es Diamanten. Sie sind das einzige Material, das Proben aus diesen Tiefen an die Erdoberfl\u00e4che bringen kann. Wobei es nicht reicht, irgendeinen Diamanten zu untersuchen. Er muss ganz bestimmte Einschl\u00fcsse enthalten: eine Kombination von Mineralien, die anzeigen, dass der Diamant sich innerhalb kontinentaler Kruste gebildet hat und dabei dem hohen Druck und auch den hohen Temperaturen ausgesetzt war, die in 300 Kilometern Tiefe herrschen. Dieser Diamant w\u00e4re eine Art Rosetta-Stein des Erdmantels, so Brenker. Damit spielt er auf die Nil-Steintafel an, die die Entzifferung der alt\u00e4gyptischen Hieroglyphen erm\u00f6glichte. Die Suche nach dem richtigen supertiefen Diamanten, der zu einem \u00e4hnlichen Durchbruch verhilft, l\u00e4uft. Daf\u00fcr haben sich geologische Institute aus Kanada, den USA, Frankreich und die Goethe-Universit\u00e4t zusammengetan. Gemeinsam untersuchen sie geeignet erscheinendes Material. \u201eF\u00fcr die Analysen brauchen wir die besten Labore\u201c, erkl\u00e4rt Brenker. \u201eDenn die Einschl\u00fcsse sind zum Teil winzig klein. Und es reicht nicht, einfach nur Stishovit oder Hollandit im Diamanten nachzuweisen. Wir m\u00fcssen auch die chemische Zusammensetzung der Minerale \u00fcberpr\u00fcfen und damit die Gesteinschemie rekonstruieren, in dem sich der Diamant einst bildete. Dann erst wissen wir, ob wir da wirklich kontinentale Kruste haben.\u201c<\/p>\n\n\n\n

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Wasserhaltige \u00dcbergangszone<\/strong><\/h5>\n\n\n\n

Noch etwas unter dem 300-Kilometer-Bereich, dem m\u00f6glichen Point of no Return f\u00fcr kontinentale Platten, liegt ein weiterer interessanter Forschungsgegenstand: die \u00dcbergangszone. Eine Grenzschicht zwischen 410 und 660 Kilometern Tiefe, die oberen und unteren Erdmantel voneinander trennt und eine Barriere f\u00fcr auf- und absteigendes Material bildet. Auch sie hat lange ihr kleines Geheimnis gewahrt. Es war nicht klar, ob es in der \u00dcbergangszone gr\u00f6\u00dfere Wasservorkommen gibt. Oder sogar einen Ozean im Erdinnern, wie es sich der franz\u00f6sische Schrifsteller Jules Verne ausmalte. Die f\u00fcr die \u00dcbergangszone typischen Minerale Wadsleyit (bis 520 Kilometer) und Ringwoodit (ab 520 Kilometer) sind daf\u00fcr jedenfalls geeignet, weil sie gro\u00dfe Wassermengen speichern k\u00f6nnen. Sehr gro\u00dfe Mengen sogar. \u201eW\u00e4re die \u00dcbergangszone mit Wasser ges\u00e4ttigt, lie\u00dfe sich dort das Sechsfache unserer heutigen Ozeane speichern\u201c, so Brenker.<\/p>\n\n\n\n

Mittlerweile steht fest: Ja, die \u00dcbergangszone ist wasserhaltig. Zusammen mit Kollegen aus Italien und den USA hat Brenker in diesem Jahr den Beweis geliefert. Auch daf\u00fcr brauchte es den passenden Diamanten. Dieser war 1,5 Zentimeter klein und stammte aus einer Tiefe von 660 Kilometern. Also aus dem Bereich, wo die \u00dcbergangszone an den unteren Erdmantel st\u00f6\u00dft und Ringwoodit das typische Mineral ist. Dem kleinen Stein mit den noch viel kleineren Einschl\u00fcssen wurde mit den feinsten analytischen Techniken zu Leibe ger\u00fcckt. Etwa der FTIRSpektrokospie, die mit Infrarotlicht arbeitet, um Wasser beziehungsweise Wasserstoff-Sauerstoff-Verbindungen aufzusp\u00fcren. Die Analysen ergaben nicht nur, dass der Stein eine Menge Ringwoodit-Einschl\u00fcsse hat. Sondern auch, dass diese einen hohen Wassergehalt aufweisen. Auch dass sich der Diamant in einem normalen St\u00fcck Erdmantel bildete, war anhand der chemischen Zusammensetzung belegbar. Brenker: \u201eDamit hatten wir den Nachweis: Die \u00dcbergangszone ist kein trockener Schwamm, sondern speichert erhebliche Mengen Wasser. Wobei sich dort unten kein Meer befindet wie bei Verne, sondern wasserhaltiges Gestein, welches sich aber weder feucht anf\u00fchlt noch tropft.\u201c <\/p>\n\n\n\n

Wasservorkommen in der \u00dcbergangszone. Kontinentale Platten, die f\u00fcr immer in der Tiefe bleiben. Das Erdinnere ist zwar unerreichbar, aber dank Diamantenanalyse nicht unerforschbar. Bald wird es die n\u00e4chsten spektakul\u00e4ren Ergebnisse geben, so viel verr\u00e4t Brenker schon mal. \u201eDabei geht es um den tiefen Kreislauf des Phosphors, welcher f\u00fcr das Leben auf der Erde so wichtig ist.\u201c <\/p>\n\n\n\n

Andreas Lorenz-Meyer<\/em><\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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